新型空投橡膠油囊的設計

易 方，孟浩龍

（空軍研究院航空兵研究所，北京 100076）

20世紀80年代設計生產的原空投橡膠油囊[1]主要存在以下3個方面的問題：一是受當時我國橡膠和紡織工業水平限制，無法生產強度高、伸長率大、抗撕裂性能好的高強力織物作為骨架材料，導致橡膠油囊承受極限壓力的能力較低，難以適應現代空投強度的要求，且原骨架材料人造絲簾布現已停產。二是原空投橡膠油囊的筒體與封頭的結合部位采取整體搭接，導致搭接部位過厚、過硬，造成應力集中，橡膠油囊在空投著陸時易發生破裂。三是原空投橡膠油囊的生產工藝以手工操作為主，硫化壓力不足，導致質量均勻性較差，產品合格率和生產能力較低。

針對上述問題，本工作通過改進橡膠油囊的結構強度、關鍵部件和工藝工裝，設計生產一種新型高強度空投橡膠油囊。

1 規格與結構

新型空投橡膠油囊按體積分為20，60，200和2 000 L四種規格（見圖1和2），裝油充壓后呈圓筒狀。4種規格橡膠油囊固定布置于空投貨臺后均可進行帶傘空投，其中20和60 L橡膠油囊可在一定飛行高度上進行無傘空投。

圖1 20，60和200 L橡膠油囊

圖2 2 000 L橡膠油囊

橡膠油囊主要由囊體、進出油口和夾盤組成。不同規格油囊不同之處在于20，60和200 L橡膠油囊為外夾盤配合內鉚釘的封口形式，進出油口采用旋鈕式密封，由于囊體較小，無需縱向鋼絲繩加固。而2 000 L橡膠油囊為外夾盤配合內夾盤的封口形式，進出油口采用自封閥密封，由于囊體較大，采用縱向鋼絲繩加固。

2 結構強度

橡膠油囊的結構強度應滿足空投著陸沖擊應力的要求，沖擊應力主要由骨架材料承擔和吸收。本工作通過對無傘空投20和60 L橡膠油囊和帶傘空投200和2 000 L橡膠油囊的著陸沖擊應力進行計算和分析，選用適宜的骨架材料進行強度設計和校核。

2.1 橡膠油囊無傘空投應力分析

設20和60 L橡膠油囊無傘空投高度（h）為120 m，直升機飛行速度為150 km·h-1，低層風向與航向相同，并忽略空氣對橡膠油囊的阻力，橡膠油囊無傘空投拋落受力分析如圖3所示。

圖3 橡膠油囊無傘空投拋落受力分析

空氣阻力可以減小橡膠油囊落地時的撞擊速度，由于較小可忽略不計。v0計算公式如下。

式中，g為重力加速度，9.8 m·s-2。

由速度合成法則可得到v，

無傘空投時，假設地面阻力使橡膠油囊在接觸地面0.06 s后速度降為零且形成最大應力，地面對橡膠油囊的沖擊力（F）完全由橡膠油囊承受。根據能量守恒原則，

式中，m為橡膠油囊質量，kg；t為橡膠油囊觸地時間，取0.06 s。

橡膠油囊無傘空投所受周向應力為最大應力（T），計算公式如下。

式中，l為橡膠油囊橫截面周長；D為橡膠油囊橫截面直徑。

2.2 橡膠油囊帶傘空投應力分析

橡膠油囊帶傘空投著陸時，由于降落傘減速，其受力相當于橡膠油囊無傘空投從4 m高度投落[2-3]。由于觸地時間、觸地角度和隨機風速等因素不確定，用式（4）計算得到的橡膠油囊受力值并不能直接用于橡膠油囊強度設計，必須選擇適當的安全系數。借鑒同類產品的安全系數和美國軍用規范MIL-D-23119G[4]，20和60 L橡膠油囊無傘空投的安全系數取18，200和2 000 L橡膠油囊帶傘空投的安全系數取12。橡膠油囊空投承受的最大應力見表1。

表1 橡膠油囊空投承受的最大應力 kN·m-1

2.3 骨架材料強度設計

以1400dtex/3F94TE高強度錦綸簾布作為橡膠油囊的骨架材料，采用簾線纏繞膠管的形式。橡膠油囊的耐壓強度（PB）計算公式如下。

式中，PB，MPa；KB為簾布強度，錦綸簾布取2 900 kN·m-1；i為纏繞層數；C′為綜合修正系數，i的修正系數取0.75，纏繞角度的修正系數取0.94，則C′為0.7；C3為伸長率的修正系數，錦綸簾布取1.18；T0為設計強度，kN·m-1。

經計算，橡膠油囊骨架材料的強度性能見表2。

從表1和2可以看出，采用1400dtex/3F94TE高強度錦綸簾布作為骨架材料的各規格橡膠油囊的T0均大于TB，強度性能可以滿足空投著陸沖擊應力的要求。

3 關鍵部件

3.1 內層膠

橡膠油囊在與燃油接觸過程中存在溶脹、遷移、洗脫等相互作用。在復合作用下，膠料中的增塑劑和防老劑等配合劑易抽出，影響橡膠油囊的物理性能和化學性能。橡膠油囊在使用過程中內層膠接觸燃油，在振動、晃動、折疊、拉伸、內壓和沖擊應力下相互作用加劇，橡膠油囊的抗油擴散性能降低[5]。因此，內層膠的耐油性能直接影響油料的使用品質。

氯醚橡膠是主鏈含醚鍵、側鏈含氯甲基的飽和脂肪族聚醚材料。主鏈的醚鍵使其具有良好的耐熱老化和耐臭氧老化性能；側鏈的氯甲基使其具有優異的耐油和氣密性能。與耐油性能相當的丁腈橡膠和丁腈橡膠/聚氯乙烯共混膠相比，氯醚橡膠的耐寒性能較好，脆性溫度約低30 ℃，因此采用氯醚橡膠為橡膠油囊的內層膠主體材料。

3.2 外層膠

橡膠油囊在充油帶壓狀態下空投，承受強烈的拉伸應力和燃油沖擊。此外，橡膠油囊在儲存和返程運輸時需要多次往復折疊，在伸長、彎曲、壓縮等應力作用和高空臭氧環境下，熱氧老化和臭氧老化速度加快[6]。因此，外層膠應具有優良的耐天候老化、耐臭氧老化、耐油、耐磨、耐疲勞和阻燃等性能。

氯磺化聚乙烯橡膠是聚乙烯與二氧化硫反應制備的彈性體，為含氯的極性高分子材料，具有較好的自熄性和耐油性能以及其他合成橡膠難以達到的耐天候老化、耐腐蝕、阻燃、耐磨性能，因此采用氯磺化聚乙烯橡膠作為橡膠油囊的外層膠主體材料。

3.3 筒體和封頭搭接

橡膠油囊成型時，覆膠簾布按規定角度粘貼于圓筒部位。在橢球面上粘貼時，覆膠簾布的纏繞角度會發生變化，由于表面積減小，覆膠簾布逐漸重疊交叉，因此不可能將覆膠簾布完整地粘貼到兩端封頭中部。橡膠油囊筒體和封頭覆膠簾布搭接見圖4。

從圖4可以看出，如果在位置1處將筒體覆膠簾布與封頭覆膠簾布搭接，由于搭接角度不同，覆膠簾布在搭接處成倍斜交，造成搭接處變硬和應力集中。試驗表明，當覆膠簾布搭接從位置1逐漸移動到位置2，3和4時，筒體覆膠簾布與封頭覆膠簾布的夾角逐漸減小，其搭接邊沿的應力也逐漸減小。

圖4 橡膠油囊筒體和封頭覆膠簾布搭接示意

根據試驗結果，筒體和封頭覆膠簾布的搭接采用以下3種設計：一是將筒體覆膠簾布與封頭覆膠簾布的搭接位置外移，移至圓弧起點向外50 mm處；二是將4層覆膠簾布的搭接位置錯開，平均分布在圓弧起點向外60～160 mm處；三是采取預成型和充壓定型工藝，通過改變覆膠簾布的簾線角度調節封頭搭接角度。

4 工藝工裝設計

4.1 工藝設計

橡膠油囊的制備工藝流程如圖5所示，主要分為如下3步。第1步：覆膠簾布和膠板加工。第2步：橡膠油囊成型、硫化和脫模，采用充氣模、分解模高壓硫化工藝。其中，20，60和200 L橡膠油囊采用內充氣膠囊整體硫化，2 000 L橡膠油囊采用金屬分解模硫化。第3步：檢修和檢驗。對成型橡膠油囊飛邊打磨、瑕疵修補和壓力試驗，最后包裝入庫。

圖5 橡膠油囊的制備工藝流程

4.2 內充氣膠囊整體硫化

20，60和200 L橡膠油囊采用內充氣膠囊成型鼓進行整體成型硫化，即在內充氣膠囊成型鼓兩端安裝夾盤，充入規定壓力的壓縮空氣以保證膠囊成型鼓的外形符合成型要求，具體步驟如下：將囊體成型后裝入硫化模，向膠囊充壓并對外模加溫進行硫化；硫化完后，卸下夾板和膠囊鼓支撐塊，取出膠囊，即可得到成型囊體。

4.3 金屬分解模硫化

2 000 L橡膠油囊采用金屬分解模成型鼓進行成型硫化，即采用鋁合金板材和型材根據橡膠油囊內部形狀分解制作成型鼓及其支撐架，具體步驟如下：通過機械成型制作金屬分解模成型鼓；內層膠成型后進行硫化，用內層膠作為膠囊；硫化完后，將金屬分解模分解取出；采取密封措施并進行表面處理，即可得到成型囊體。

5 產品性能

按照本設計生產的油囊成品經飛行空投試驗，完全滿足現代空投的使用要求。

6 結論

（1）以1400dtex/3F94TE高強度錦綸簾布作為骨架材料，橡膠油囊的強度性能可以滿足空投著陸沖擊應力的要求。

（2）以氯醚橡膠作為內層膠、氯磺化聚乙烯橡膠作為外層膠，能夠滿足橡膠油囊內層膠耐油、外層膠耐磨的性能要求。

（3）與原空投橡膠油囊的半模、分解模低壓硫化工藝相比，新型空投橡膠油囊采用充氣模、分解模高壓硫化工藝，產品合格率和生產能力顯著提高。

（4）新型空投橡膠油囊已通過飛行空投試驗驗證，能夠滿足現代空投的使用需要。